ansys熱-應(yīng)力耦合分析

熱-應(yīng)力耦合分析2011.10.28尹訓(xùn)強(qiáng)一、熱分析過程與步驟熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)或部件的溫度分布及其熱物理參數(shù)，如熱量的獲取或損失、熱梯度等。它是基于能量守恒原理的熱平衡方程，用有限元計(jì)算各節(jié)點(diǎn)的溫度，并到處其他熱物理參數(shù)。通常熱分析后進(jìn)行結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析，計(jì)算由于熱膨脹或收縮引起的熱應(yīng)力。ANSYS的熱分析可用于分析穩(wěn)態(tài)傳熱(即系統(tǒng)的溫度場不隨時(shí)間變化)和瞬態(tài)傳熱(及系統(tǒng)的溫度場隨時(shí)間明顯變化)的問題。ANSYS熱分析包括熱傳導(dǎo)、熱對流及熱輻射三種傳遞方式，熱傳導(dǎo)是指完全接觸的兩個(gè)物體之間或一個(gè)物體的不同部分之間由于溫度梯度而引起的內(nèi)能交換，它遵循傅里葉定律，即熱量獎項(xiàng)溫度低的方向流動；熱對流是指固體的表面與他周圍的液體之間，由于溫差的存在所引起的熱量交換，分為自然對流和強(qiáng)制對流；熱輻射是指物體發(fā)射電磁能，并被其他物體吸收轉(zhuǎn)變?yōu)闊岬脽崃窟^程。1.熱分析的基本常識熱分析遵循熱力學(xué)第一定律，即沒有質(zhì)量的流入或流出：對于熱穩(wěn)態(tài)分析，Q=△U=0，即流入系統(tǒng)的熱量等于流出的熱量‘對于瞬態(tài)熱分析：q=dU/dt，即流入或流出的熱傳遞速率等于系統(tǒng)內(nèi)能的變化。如果系統(tǒng)的凈熱流率為0，即流入系統(tǒng)的熱量加上系統(tǒng)自身產(chǎn)生的熱量等于流出系統(tǒng)的熱量，則系統(tǒng)處于熱穩(wěn)態(tài)。在穩(wěn)態(tài)熱分析中任一節(jié)點(diǎn)的溫度不隨時(shí)間變化，其能量平衡方程為：瞬態(tài)傳熱過程是指在一個(gè)系統(tǒng)的加熱或冷卻過程中，系統(tǒng)的溫度、熱流率、熱邊界條件以及系統(tǒng)內(nèi)能隨時(shí)間都有明顯的變化，根據(jù)能量守恒，瞬態(tài)熱平衡可以表達(dá)為：2.穩(wěn)態(tài)熱分析穩(wěn)態(tài)熱分析用于分析穩(wěn)定的熱何在對系統(tǒng)或部件的影響，通過有限元分析可以確定由于穩(wěn)定的熱荷載引起的溫度、熱梯度、熱流率等參數(shù)。熱分析的三個(gè)步驟：(1)建模進(jìn)入前處理后，完成的工作有選擇單元類型、確定單元選項(xiàng)、設(shè)置實(shí)常數(shù)、輸入材料的熱性能屬性、創(chuàng)建集合模型、設(shè)置網(wǎng)關(guān)單元大小、生成有限元分析的網(wǎng)格單元。(2)施加載荷并求解在ANSYS熱分析中，要施加的載荷有下列5種：1)恒定的溫度2)熱流率：可作為節(jié)點(diǎn)集中載荷，主要用于線單元模型中。如果輸入為正，則代表熱流流入節(jié)點(diǎn)。3)對流：該邊界條件作為面荷載施加于實(shí)體的外表面或有表面效應(yīng)的單元上，計(jì)算與流體的熱交換。4)熱流密度：也是一種面載荷。5)生熱率：是一種體荷載，可作用于單元上。(3)后處理并查看結(jié)果：結(jié)果文件為“.rth”3.瞬態(tài)熱分析瞬態(tài)熱分析用于計(jì)算一個(gè)系統(tǒng)隨時(shí)間變化的溫度場及其他熱參數(shù)，在工程中一般用瞬態(tài)熱分析計(jì)算溫度場，并將之作為載荷進(jìn)行應(yīng)力分析。分析的步驟與穩(wěn)態(tài)熱分析基本一致，不同的是瞬態(tài)熱分析中的載荷是隨時(shí)間變化的。為了表達(dá)隨時(shí)間變化的載荷，首先必須將載荷分解成載荷-時(shí)間曲線的子步對于每個(gè)載荷子步，必須定義載荷值和時(shí)間值。二、熱-應(yīng)力耦合分析耦合分析是指考慮兩個(gè)或多個(gè)工程物理場之間相互作用的分析，如熱-應(yīng)力分析，就是考慮物體的熱脹冷縮原理，通過計(jì)算得到由于溫度分布不均對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的熱應(yīng)力。其他耦合場分析的例子還有熱-電和流體-結(jié)構(gòu)耦合分析等。1.熱-應(yīng)力的計(jì)算方法ANSYS中提供了三種分析法，即在結(jié)構(gòu)分析中直接定義節(jié)點(diǎn)溫度,間接法和直接法。第一種方法適合知道所有的節(jié)點(diǎn)溫度，將溫度作為體載荷加在各個(gè)節(jié)點(diǎn)上。間接法是首先在ANSYS中進(jìn)行熱分析，再將得到的節(jié)點(diǎn)溫度作為體載荷施加在結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析中。直接法是使用具有溫度和位移自由度的耦合單元，同時(shí)得到熱分析和結(jié)構(gòu)應(yīng)力分的結(jié)果。2.間接法的分析步驟1)建立幾何模型2)定義熱分析類型，包括傳導(dǎo)、對流、輻射和表面效應(yīng)單元等，可以選擇穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)熱分析，并完成熱分析計(jì)算。3)重新回到前處理，進(jìn)行單元轉(zhuǎn)換即將熱單元轉(zhuǎn)換為結(jié)構(gòu)單元，并重新設(shè)置單元的屬性、添加材料屬性，設(shè)定結(jié)構(gòu)邊界條件。4)從熱分析結(jié)果文件中讀入節(jié)點(diǎn)溫度，并作為體載荷施加到有限元模型上。5)設(shè)置參考溫度（ReferenceTemp）：主要用于熱應(yīng)力分析的